一种基于以太网的开放式机械手控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明应用于机械手运动控制领域，涉及一种基于以太网的开放式机械手控制方 法。
【背景技术】
[0002] 在科技日新月异的今天，机械手的应用领域越来越广泛。它可以重复不断的劳动 和工作，并且不知疲劳、不受工作环境的限制，能够胜任危险环境的工作，提高劳动生产效 率，降低生产成本。它可以通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼顾人和 机器的优点，具有人的适应性和智能。机械手作业的准确性及其在各种环境下完成任务的 能力是重点研宄方向。
[0003] 目前的工业机器人主要在焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性和劳动强度极大的 行业有着广泛的应用。但是传统机械手一般使用脉冲方式控制关节电机，存在抗干扰能力 差、无自主纠错能力、应用范围受限的不足，并且不具备开放式编程的能力，通用性不强以 及控制关机数量有限的不足。在实际的应用中还存在连线过多导致的安装复杂等不足。
【发明内容】
[0004] 为了克服目前机械手控制存在的实时性较差、稳定性较低以及开放度较差的不 足，以及针对高要求、高速度、高精度的运动控制的需要，本发明提供了一种实时性良好、稳 定性较高、开放性良好的基于以太网的开放式机械手控制方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 一种基于以太网的开放式机械手控制方法，包括如下步骤：
[0007] 1)采用基于ARM Cortex_A8内核的嵌入式工控板并搭载有CoDeSysRTS软件环境 的嵌入式Linux作为整个技术方案的实现平台；
[0008] 2)通过EtherCAT协议的以太网连接ARM控制器与各个关节电机的伺服驱动器，实 现对机械手各个关节的状态读取与控制；
[0009] 3)采用以太网与PC端的网卡相连，传输并在PC端显示当前机械手的运行状态；
[0010] 4)通过控制器的开放式直接编程实现对机械手的笛卡尔坐标的轨迹规划与速度 控制；
[0011] 采用机器人逆运动学解算法将笛卡尔坐标转换为各个关节电机的转速转加速度， 通过以太网读取机械手各个关节状态变量并通过实时的速度规划计算控制信息从而进行 位置误差补偿。
[0012] 进一步，在步骤1)中，采用基于ARM Cortex-A8内核的嵌入式工控板并搭载有 C0DeSysRTS实时运系统的嵌入式Linux作为整个技术方案的平台。
[0013] 再进一步，在步骤3)中，系统已将EtherCAT的电机驱动标准的数据包封装成 系统变量，通过修改MC_M0VEABS0LUTE模块命令电机到一个指定的绝对位置；所述的MC_ M0VEAB-S0LUTE模块包含可以设置命令执行项Execute的输入端、指定电机运动的目标 位置Position、设定电机的速度Velocity、电机的加速度Acceleration及电机的减速度 Deceleration和电机转向Direct ion，所述模块输出端查看电机的工作状态，通过修改MC_ M0VEVEL0CITY模块使电机以一定的速度转动，其输入端同时也具有执行、速度、加减速设置 项，输出端查看各种电机运行状态的参数；通过修改MC_P0WER可以控制电机的启停，输入 端有使能、电源平台开启项及驱动开始项，输出项也是电机各种预开启状态的参数；
[0014] 模块MC_READACT-UALPOSITION来返回电机转动的实际位置，输入为使能控制，输 出返回电机的实际状态或电机的出错状态信息。
[0015] 在步骤4)中，所述的以太网与PC端网卡相连显示当前机械手运行状态，所述的以 太网传输的数据报文包括机械手的所处的工作流程的具体步骤、工作状态、执行器的笛卡 尔坐标及其姿态向量。所述数据报文格式包含数据帧头、数据长度、机械手的ID、功能号、数 据流以及校验位，PC端监控器能够增删连接的机械手设备，并实时显示各个机械手状态，随 时对某个机械手进行暂停、复位等操作。
[0016] 在步骤5)中，所述的开放式直接编程包括如下实现途径：a、用户能够在人机界面 中直接编写C语言或者机器语言代码从而自主规划机械手的运动轨迹；b、向控制器中导入 CAD轨迹图直接生成能够描述相应空间轨迹的机器语言。
[0017] 在步骤5)中，轨迹规划和速度控制过程如下：在X/Y坐标上存在pspe的轨迹，它与 X的横坐标存在Θ的夹角，对该轨迹进行时间分割插补后得到三个插补点Pl、p2、p3，机械手 从轨迹的第一个插补Ap 1 (X1J1)以速度V1 (vlx，vly)按照预先设定的轨迹运动到第二个插 补点P2 (X2, y2)，在一个插补周期后，即在P2 (X2, y2)点处进行实时位置反馈，此时发现由于Y 轴负载的变化导致Y轴的速度比实际规划的速度要小，所以在一个插补周期后导致机械手 未到指定的点巧上，而是在点P 2 '上，最后产生的位置误差是ρΛ (ΧΛ，yA)，
【主权项】
1. 一种基于w太网的开放式机械手控制方法，其特征在于；包括如下步骤： 1) 采用基于ARMCcxrtex-A8内核的嵌入式工控板并搭载有CoDeSysRTS软件环境的嵌 入式Linux作为整个技术方案的实现平台； 2) 通过化herCAT协议的W太网连接ARM控制器与各个关节电机的伺服驱动器，实现对 机械手各个关节的状态读取与控制； 3) 采用W太网与PC端的网卡相连，传输并在PC端显示当前机械手的运行状态； 4) 通过控制器的开放式直接编程实现对机械手的笛卡尔坐标的轨迹规划与速度控 制； 采用机器人逆运动学解算法将笛卡尔坐标转换为各个关节电机的转速转加速度，通过W太网读取机械手各个关节状态变量并通过实时的速度规划计算控制信息从而进行位置 误差补偿。
2. 如权利要求1所述的一种基于W太网的开放式机械手控制方法，其特征在于：在步 骤1)中，采用基于ARMCodex-A8内核的嵌入式工控板并搭载有CoDeSysRTS实时运系统 的嵌入式Linux作为整个技术方案的平台。
3. 如权利要求1或2所述的一种基于W太网的开放式机械手控制装置与方法，其特征 在于，在步骤3)中，系统已将化herCAT的电机驱动标准的数据包封装成系统变量，通过修 改MC_MOVEABSOLUTE模块命令电机到一个指定的绝对位置；所述的MC_MOVEAB-SOLUTE模块 包含可W设置命令执行项Execute的输入端、指定电机运动的目标位置化sition、设定电 机的速度Velocity、电机的加速度Acceleration及电机的减速度Deceleration和电机转 向Direction,所述模块输出端查看电机的工作状态，通过修改MC_MOVEVELOCITY模块使电 机W-定的速度转动，其输入端同时也具有执行、速度、加减速设置项，输出端查看各种电 机运行状态的参数；通过修改MC_P0WER可W控制电机的启停，输入端有使能、电源平台开 启项及驱动开始项，输出项也是电机各种预开启状态的参数； 模块MC_READACT-UALPOSITION来返回电机转动的实际位置，输入为使能控制，输出返 回电机的实际状态或电机的出错状态信息。
4. 如权利要求1或2所述的一种基于W太网的开放式机械手控制装置与方法，其特征 在于，在步骤4)中，所述的W太网与PC端网卡相连显示当前机械手运行状态，所述的W太 网传输的数据报文包括机械手的所处的工作流程的具体步骤、工作状态、执行器的笛卡尔 坐标及其姿态向量。所述数据报文格式包含数据帖头、数据长度、机械手的ID、功能号、数据 流W及校验位，PC端监控器能够增删连接的机械手设备，并实时显示各个机械手状态，随时 对某个机械手进行暂停、复位等操作。
5. 如权利要求1或2所述的一种基于W太网的开放式机械手控制装置与方法，其特 征在于，在步骤5)中，所述的开放式直接编程包括如下实现途径；a、用户能够在人机界面 中直接编写C语言或者机器语言代码从而自主规划机械手的运动轨迹；b、向控制器中导入 CAD轨迹图直接生成能够描述相应空间轨迹的机器语言。
6. 如权利要求1或2所述的一种基于W太网的开放式机械手控制装置与方法，其特征 在于，在步骤5)中，轨迹规划和速度控制过程如下： 在X/Y坐标上存在p,p。的轨迹，它与X的横坐标存在0的夹角，对该轨迹进行时间分割 插补后得到；个插补点91、92、93，机械手从轨迹的第一个插补点91^1，71)1^速度乂1(￥^，￥1^) 按照预先设定的轨迹运动到第二个插补点P2(X2,y2)，在一个插补周期后，即在P2(X2,y2)点 处进行实时位置反馈，此时发现由于Y轴负载的变化导致Y轴的速度比实际规划的速度要 小，所W在一个插补周期后导致机械手未到指定的点P2上，而是在点P2'上，最后产生的位 置误差是Pa(X&,y&)，
(1) 同时通过计算得到实际的X轴和Y轴的速度K'(<t，vI,.)，对比实际的速度和规划的速 度比较各自轴的速度快慢，假设实际速度与规划速度Viy有较大的差距，则将Y轴作为下 次速度规划参考轴，该时的点P2 (&，y2)的速度V2 (V&，V2y):
口） 从而得出插补点P2的速度，结合插补周期T，得到新的插补点Pm。
【专利摘要】一种基于以太网的开放式机械手控制方法，包括如下步骤：1)采用基于ARM Cortex-A8内核的嵌入式工控板并搭载有CoDeSysRTS软件环境的嵌入式Linux作为整个技术方案的实现平台；2)通过EtherCAT协议的以太网连接ARM控制器与各个关节电机的伺服驱动器；3)采用以太网与PC端的网卡相连，传输并在PC端显示当前机械手的运行状态；4)通过控制器的开放式直接编程实现对机械手的笛卡尔坐标的轨迹规划与速度控制；采用机器人逆运动学解算法将笛卡尔坐标转换为各个关节电机的转速转加速度，通过以太网读取机械手各个关节状态变量并通过实时的速度规划计算控制信息从而进行位置误差补偿。本发明实时性良好、稳定性较高、开放性良好。
【IPC分类】B25J9-16
【公开号】CN104786221
【申请号】CN201510172297
【发明人】董辉, 金阔洋, 赖宏焕, 韩瑞祥, 楼杰
【申请人】浙江工业大学, 浙江金火机床有限公司
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月13日